微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO薄膜

微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO薄膜 3 沉积 薄膜ZnO 汪建华 任兆杏 邬钦崇 () () 武汉化工学院中国科学院等离子体物理研究所 摘 要 ZnO 薄膜具有强的压电和光电效应, 广泛用于制作各种声电和声光器件中. 本文报道了 用微波 等离子体溅射法沉积了 薄膜, 并研究了该法制备 膜的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 . 结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 所形 ECR ZnO ZnO 成的 膜的性质强烈地依赖于溅射沉积条件.ZnO 关键词 氧化锌薄膜; 微波 等离子体; 溅射ECR 分类号 484; 53O O 0 引言 ZnO 薄膜具有介电常数低, 机电耦合系数大, 良好的光学性等特点, 是一种十分优良的压 电薄膜 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 . 广泛用于各种频段的声体波、声表面波、压电换能器、声光布喇格偏转器之类的声 1 , 4 电和声光器件. 薄膜的实用价值大大推动了成膜技术的发展. ZnO这些技术包括 D C 溅 ()射、溅射、离子束蒸发、溅射外延、磁控溅射和化学气相沉积 . 由溅射沉积 膜, R F CV D ZnO 其膜的晶体结构, 如 轴取向, 强烈地取决于溅射条件. 采用常规方法溅射沉积, 虽然能够生 C 成高度 轴取向 膜, 但这些方法都必须在较高的基片温度下成膜, 往往不适合耐热性较C ZnO 低的 等基片材料的使用, 并且膜的表面易被高能离子轰击, 通常会损害膜的表面, 改变 GaA s 膜的性能, 使膜的重复性和质量都会受到影响. 为了避免这些问题, 通常采用增加气压, 将高能 粒子能量转变为碰撞热能. 然而, 在几个到几十个电子伏特范围内的离子会随着气压的增高也 有一定的碰撞能量损失, 而该范围内的离子能量是较为适宜沉积结晶性好的薄膜. 为了补偿能 5 量的损失, 不得不通过增加基片温度来沉积薄膜. () 微波电子回旋共振 等离子体镀膜是近年来发展起来的成膜技术. 等离子体在 ECR ECR - 3- 1 1013 - 3 (( ) ( ) 低气压 10, 10下形成, 等离子体密度 10, 10高, 电离度也高 一般在 10%P a cm ) 以上. 在发散磁场的约束和推动下形成有方向性的等离子体流, 电子能量高, 平均能量 4, 14, 离子能量分布很窄, 其高能粒子比分布少得多, 能大大减少高能粒子对沉积薄膜 eV M axw e ll 6 的辐射损伤, 并可以通过调节磁场位形来控制沉积粒子的能量在几个到几十个 因此, 利 , eV 用 溅射法能在低气压下, 在较低的基片温度下沉积出结晶性能优良的薄膜.ECR () 本文将详细报告应用微波电子回旋共振 等离子体溅射法沉积 膜的成膜过程 ECR ZnO 及其膜的结晶性与工艺参数的关系. 1 实验过程 图 1 显示出溅射型微波 等离子体沉积装置的原理图. 当频率为 2. 45 的微波由ECR GH z 收稿日期: 1995—11—06; 修回日期: 1997—03—10 国家自然科学基金 3 矩形波导传播经石英窗进入作为微波共振腔的 - 3 - 1 , 10 10 等离子体发生室, 在 =P a 的 P A r+ O 2 低气压下, 等离子体中的电子在共振层从微波 获得能量, 从而电离中性气体产生高密度、高电 离度的氩、氧等离子体. 该装置的磁场线圈起到 - 4(约束等离子体和提供共振磁场 = B 875×10 ) 的作用. 它是一个典型的磁镜发散场. 在从 T 区到基片架这段距离内磁力线密度逐渐 ECR 变小, 它使得等离子体从等离子体产生室引至 图 1 等离子体溅射沉积装置 ECR 沉积室, 由于微波等离子体中电子作回旋运动 的速度大于离子回旋运动的速度, 因而, 电子首先到达基片表面, 从而在基片表面建立起一个 恒定的静电场, 它使得等离子体流中的正离子加速具有一定的能量打到基片上. () ( ) 溅射气体 氩气和反应气体 氧气分别由质量流量计控制进入等离子体发生室和样品 室. 在等离子体流引出口放置了内径为 90圆筒形状的金属靶, 并施加直流负偏置电压. 真 mm - 4 空抽气系统由机械泵和分子泵组成, 本底真空抽至为 1×10氧化锌膜的沉积机理是等离 . P a+ 子体中的 离子在负靶电压的作用下轰击金属靶表面产生溅射. 溅射出来的锌原子进入等 A r 离子体后又被电离, 这些金属离子在磁场约束和基片电场的作用下, 在样品室与电离的 气 O 2 发生反应, 沉积到基片上, 形成 膜.ZnO 在该装置中, 基片架可以平行移动. 使用的基片为玻璃、片、单晶. 基片的温度可以 S i N aC l 在 40, 450?. 沉积的薄膜样品厚度为 0. 5, 3. 5 .Λm 腔体中等离子体参数采用朗谬尔静电探计测量. 膜的结构, 晶粒度大小, 表面表貌, 膜截面 () 和透射率的测定, 分别由 、、和日立 荧光光度计分析完成.XRDT EM SEM 2 结果和讨论 2. 1 薄膜的性能 压电薄膜, 其电声性能与膜的结构有关. 我们采用 射线衍射分析了沉积在玻璃上 ZnO X () 的膜. 图 2 显示出了典型的 射线衍射图形. 由图中可以看出, 薄膜 002面衍射峰特别X ZnO () 强, 004面衍射峰也清晰可见, 这表明 薄膜具有高度择优取向.ZnO ( ) 薄膜 002峰的半高宽反映了膜结晶颗粒的平均尺寸. 衍射峰的宽化度虽然可能是 ZnO 由层错等缺陷引起的, 但对 这类六角结构的晶体而言, 层错是不影响衍射宽化度的. 薄膜 ZnO ()( ) 的平均粒度尺寸可由 方程估算: = 0. 94ƒ. 式中 是 002峰的真空宽化Sge r re r’ s d ΚB 0 co sΗB 0 度; ; Η为布喇格角. 由上式测算出我们制备的 膜的平均晶粒度为 15 . 为衍射波长ΚZnO nm 的形貌观察也表明薄膜由 d = 10, 20 的晶粒组成, 晶粒尺寸比较均匀.T EM nm 用光谱仪分析测量了 ƒ玻璃双层结构, 光透射率超过 80% 以上. 典型的 轴取向膜的 ZnO C 透射谱, 其波长的范围为 250, 850 .nm 2. 2 工艺条件对薄膜晶体结构的影响 薄膜的质量强烈依赖于 溅射成膜工艺条件, 因此准确掌握溅射条件与薄膜性 ZnO ECR 能的关系, 对保证获得优质、高重复性薄膜极为重要. 过高的温度, 沉积的膜晶粒粗大, 表面粗糙, 取向变差, 甚至会出现混合取向. 图 2 典型的 膜 射线衍射峰 图 3 靶流和靶压的关系 ZnO X 不同基片上的 射线衍射图 图 4 靶流与气压之间的关系 图 5 X 2. 2. 2 沉积特征 我们知道沉积速率首先取 决于靶附近的离子流密度, 其次是离子能量. 实 际上, 对 溅射, 其速率正比于输入的微波 ECR 功率. 此外, 共振层在腔中的位置, 靶与基 ECR 片的距离, 气压等都有影响. 图 3 示出了不同微 波功率下靶流和靶压的关系曲线. 图 4 示出了 靶流与气压之间的关系. 在其它工艺条件不变的条件下, 一般都是 用增加微波功率来提高沉积速率. 适当的沉积 速率能使薄膜形成的初期在基片上生成较多的 核化中心, 易于得到较细的晶粒, 生长的薄膜更 图 6 基片离靶的不同距离的 射线衍射图 X 致密、光滑, 取向也好. 沉积率太低, 薄膜的结晶取向差, 表面粗糙, 透明度差, 呈白雾状. 2. 2. 3 基片的种类及表面状态 生长 ZnO 膜, 基片类型和表面状态是非常重要的. 图 5 显出 了同等条件下不同基片的 X 射线衍射图. 此外, 基片表面的清洁度和完整性对防止薄膜形成 中的缺陷也是重要的, 不仅会影响膜的附着力和早期成核率, 而且可能导致不完整的结晶中 心, 引起点阵的畸变, 形成高低不平的小丘, 从而使膜的取向变差, 针孔增多. 2. 2. 4 基片位置 靶与基片的相对位置也是影响薄膜质量的重要因素, 靶 基片间距不仅影响沉积速率, 而且对膜的质量有明显的影响, 图 6 示出不同靶距的 X 射线衍射图, 基片为镀铝 玻璃片. 在 溅射装置中, 由于外加磁场的作用, 通过改变磁场位形, 可以改善等离子体密 ECR 度 的均匀性, 从而可以得到厚度均匀的薄膜.N e 3 结论 用微波 ECR 溅射法能够在低气压、低温下制备高度 C 轴取向的 ZnO 压电薄膜, 其晶粒大 小为几个至几十个纳米, 光透射率 80% 以上. 并且膜的结构致密、膜表面平整. 我们的研究还 表明, 膜的质量强烈依赖于 溅射工艺条件, 其沉积速率正比于输入的微波功率, 此外还与ECR 共振层在腔中的位置、靶与基片的距离、气压等有关. 膜的均匀性, 可以在该系统通过调 ECR 节磁场位形而得到改善. 参 考 文 献 , . . 1 C h e rne t s A N Ken ig sbe rg N LP rep a ra t io n and p rop e r t is o f th in f ilm s o f ZnO fo r h yp e r so n ic t ran sduce r s () , 1973, 18: 247, 255T h in So lid F ilm s . . 2 H ick e rne ll F SZnO p ro ce ssing fo r bu lk and su rface w ave de ivce sIE E E U lt ra so n ic s Sym po sium P ro ceed2 , 795, 1980. 785ing s , ,. 4. 4 . 3 M it suyu T Yanzak t O W a sa KA GH z SAW f ilte r u sing a sing le c r ista l ZnO f ilm o n sapp lineIE E E , 1981. 74, 77U lt ra so n ic s Sym po sium P ro ceed ing s () 钱振型. 薄膜的应用. 压电与声光, 1982, 1: 1, 94 ZnO , . 5 M o r ito M a t suo k aKen’ ich i O neC ry sta l st ruc tu re s and op t ica l p rop e r t ie s o f ZnO f ilm s p rep a red by sp u t2 () , 2982- . , 1989, 7 5: 2975te r ingtyp e e lec t ro n cyc lo t ro n re so nance m ic row ave p la sm aJ V ac Sc i T ech no lA , . 6 M o r ito M a t suo k aKen’ch i O neM agne t ic f ile ld g rad ien t effec t s o n io n ene ry fo r e lec t ro n cyc lo t ro n re so 2 () , 29. , 1988, 6 1: 25nance m ic row ave p la sm a st reamJ V ac Sc i T ech no lA Z in c O x ide Th in F ilm s Prepa red U s in g M icrowa ve ECR P la sm a Sputter in g M e thod W a n g J ia n h ua R en Zh a ox in g W u Q in ch on g () A bstra c t Z in c o x ide ZnO th in f ilm s w ith st ro n g p iezo e lec t r ic an d p iezoop t ic effec t s h ave - - . b een w ide ly u sed in aco u sto e lec t r ic an d aco u sto op t ic dev ice sT h is p ap e r repo r t s o n st ru c tu ra l p rop e r t ie s o f ZnO f ilm s b y m ic row ave ECR p la sm a sp u t te r in g depo sit io n an d stu d2 . ie s ZnO f ilm s p ro ce ssedT h e re su lt s show th a t p rop e r t ie s o f th e ZnO f ilm s fo rm ed in o u r .w o rk st ro n g ly re ly o n th e sp u t te r depo sit io n co n d it io n ; ; Key word s ZnO th in f ilm ECR p la sm aSp u t te r